будет перемещаться по кривой, описываемой системой уравнений:

/ = г/1 + г/2 = 1 cos ait + cos loj; )

г = 2i 4- 22 = 1 sin (ot + 2 sin lot. J

Переходя от декартовых координат к полярным (р, ф), находим

р= ]/М^ =

= У ( 1 COS 4- 2 cos (otf + ( 1 sin lot -f sin wtf. (3.4)

В зависимости от отношений aja и coi/co2 получаются различные траектории сканирования (табл. 5) [30].

Таблица 5

Траектории сканирования, получающиеся при использовании вращающихся клиньев

>4

Уравнение траектории

Вид траектории

0,25-4 1-1,1

1-1.1

<0,25 >-0,25

М, - (Oj

P = 2acos;-q::Ф

p = al5 + -I-4 cos (Ml-Юг)] p = a[10 +

+ 6 cos (Ml - Mj) t]

Розеточная

Спиральная;

шаг спирали

. Ml -Ма ,

, . Ml-Mj

период полного цикла (свертки и развертки)

fflj -fflj = 2(Mi + M,) Эпициклоидальная Гипоциклоидальная

К недостаткам способа сканирования с вращающимися клиньями относятся нелинейность развертки во времени и появление кружка рассеяния в изображении точки, обусловленное движением клиньев.

В состав тепловизионной установки входят три блока: 1) передающая камера (рис. 63, б), содержащая механизм вращения клиньев, приемник излучения с предусилителем и элементы синхронизации; 2) усилитель, кинескоп и органы управления установкой; 3) блок питания [35].

Передающая камера имеет форму цилиндра диаметром 200 мм и длиной 500 мм, масса ее около 35 кг. Защитное окно расположено в передней части камеры. Сканирующее устройство образовано двумя призмами диаметром 120 мм, вращающимися в одном направлении с угловыми скоростями 100 и 101 об/с. Это дает возможность получить спиральную развертку, содержащую 50 витков. Разрешающая способность вдоль диаметра составляет 100 точек, частота кадров 2 кадра/с, угол зрения 32°. Так как призмы несимметричны, они должны быть механически сбалансированы. Для этого служит вспомогательная балансировочная призма, имеющая форму диска. Оправы призм связаны с валом электродвигателя мощностью 600 Вт.

Объектив - зеркальный и состоит из первичного параболического и вторичного плоского зеркал. Диаметр параболического зеркала 120 мм, фокусное расстояние 100 мм. Размер изображения в фокусе 0,4 мм, что меньше размера чувствительной площадки приемника излучения (1 мм).

Приемником служит сурьмянистоиндиевое фотосопротивление, работающее при температуре жидкого азота. Пары азота подаются под давлением через отверстие к чувствительной площадке приемника, находящейся в сосуде Дьюара. Для предотвращения вибрации система охлаждения помещена в корпус из виброзащитного материала (по-лиуретановая пена). Внутреннее сопротивление приемника порядка нескольких килоом, что позволяет согласовывать его с предусилителем на транзисторах. Последний имеет коэффициент усиления 20 ООО и содержит схему повышения контрастности, которая, изменяя порог детектирования, увеличивает контрастность сигналов от низкотемпературных объектов, находящихся на теплоизлучающем фоне. Электрические фильтры, ограничивающие ширину полосы пропускания системы усиления, содействуют процессу электронной фильтрации сигнала с выхода приемника. Общий коэффициент усиления изменяется от 3 10* до 3 10; полоса пропускания 25 кГц.

Изображение рассматриваемого объекта формируется на экране электроннолучевой трубки с длительным послесвечением. Синхронизация трубки со сканирующим устройством обеспечивается электромагнитными датчиками, расположенными на оправе каждой из призм; за один оборот выдается один импульс синхронизации.

Тепловизор позволяет обнаружить в ночных условиях на открытой местности присутствие человека на расстоянии 600 м и автомашины на расстоянии нескольких километров. Дальность обнаружения сопла самолета (диаметр 600 мм, температура 600° С) порядка 100 км. Пороговый температурный контраст 0,02-0,03° при температуре окружающей среды 20° С [35].

Известны также конструкции тепловизоров с одноэлементным приемником и системой сканирования, состоящей из колеблющегося плоского зеркала и вращающейся призмы, расположенных в сходящемся пучке. Вращением четырехгранной (или вообще 2п-гранной при /г > 2) призмы вокруг оси, перпендикулярной направлению развертки, можно получить сканирование в одном направлении. При этом неизбежно увеличение кружка рассеяния в изображении точечного источника. Даже в исходном положении, когда грани призмы перпендикулярны оптической оси объектива, возникают большие аберрации, возрастающие с увеличением толщины призмы (т. е. расстояния по перпендикуляру между противоположными гранями), числа граней и угла сканирования. Так, например, при основной длине волны четырехгранные призмы из Ge, Si и стекла ИКС-23 толщиной около 30 мм увеличивают кружок рассеяния в изображении точки на оси на 0,980; 1,55 и 2,3 мм соответственно 142). Эти аберрации можно уменьшить, применяя сложную оптическую систему с несколькими линзами.

Формула, связывающая угол сканирования у с толщиной призмы d, имеет вид:

cos (р -f и)

со; и

cos (р -f и)

У

sin (р -f и)

(3.5)

где р - угол наклона грани к оси оптической системы; и - угол между направлением луча, падающего на призму, и осью объектива; п - показатель преломления материала призмы. Макси.мальный угол наклона грани

Рмакс = Л , (3.6)

где k - число граней призмы.

Результаты расчета хода лучей через призмы, изготовленные из различных материалов и расположенные за объективом, показали, что угол сканирования и угол поворота призмы линейно зависимы. Аберрации при сканировании

растут значительно. В изображении заданной точки концентрируется не вся энергия, падающая на объектив, а только часть ее; так при крайнем положении, когда углы призмы совпадают с осью объектива, эта часть составляет около 50%. Отмеченные недостатки способа сканирования, основанного на использовании колеблющегося плоского зеркала и вращающейся призмы, расположенных в сходящемся пучке (увеличение аберраций, потеря энергии при больших углах поворота призмы), окупаются его преимуществами: простотой механических элементов, малой скважностью и небольшими размерами призмы.

Рис. 64. Схема передающей камеры тепловизора с вращающейся призмой:

1,4 - электродвигатели; 2, 3 - фотодатчики синхронизирующих сигналов; 5 - входное окно; 6 - колеблющееся плоское зеркало; 7 - вращающаяся призма; 8 - зеркальный объектив; 9 - линзы; 10 - зеркало; - приемник излучения с охлаждающим устройством; 12 - предусилитель.

Схема передающей камеры тепловизора с рассмотренным способом сканирования показана на рис. 64. Кадровая развертка изображения с частотой 16 кадров/с выполняется колеблющимся плоским зеркалом, а строчная - четырехугольной призмой. Последняя, вращаясь со скоростью 400 об/с, обеспечивает развертку 1600 строк/с. Развертки синхронизируются с кинескопом фотодатчиками. При использовании с'урьмянистоиндиевого фотосопротивления, охлаждаемого до температуры жидкого азота, возможно наблюдение объектов, температура которых отличается от температуры окружающей среды на 0,1°.

Если тепловизор предназначен для работы на малых дальностях, когда не требуется большая апертура входного

объектива, вращающаяся призма может быть помещена перед объективом в пучке параллельных лучей. По такой схеме построен французский тепловизор, предназначенный для медицинских целей (рис. 65). Приведем некоторые его параметры: количество строк разложения 100, частота кад-

* i I

Рис. 65. Схема тепловизора с вращающимся зеркальным барабаном:

/ - излучение рассматриваемого объекта; 2 - приемник излучения; 3 - охлаждающее устройство; 4 - зеркальный барабан; 5 - двигатель привода барабана; 6, 12 - элементы синхронизации; 7, - синхронизирующие сигналы; 8 - двигатель привода сканирующего зеркала; 9 - кулачковый механизм; 10 - сканирующее зеркало; 13 - зеркальный объьктив; 14 - отражательное зеркало; 15 - усилитель; 16 - видеосигналы для модуляции яркости кинескопа.

ров 2 кадра/с, полный угол зрения 24 X 32°, мгновенный угол зрения 4 10~ рад, пороговый температурный контраст 0,026° для приемника излучения на основе германия, легированного ртутью, и 0,058° - для сурьмянистоиндие-вого приемника [108].

Рассмотрим тепловизоры с линейным многоэлементным приемником и одномерным сканированием. Один из первых таких тепловизоров разработан фирмой Истмен-Кодак (США). Приемник излучения, представляющий набор из 50 сернистосвинцовых фотосопротивлений, смонтированных

в линию на твердом стержне, может поворачиваться относительно оси, проходящей через центр кривизны зepкaльJ ного объектива. Стержень колеблется в горизонтальной плоскости с частотой 4-5 Гц при помощи кулачкового механизма.

Каждый элементарный приемник излучения просматривает участок фокальной плоскости, высота которого опре- .-- Т 3

Рис. 66. Оптическая схема передающей камеры тепловизора с многоэлементным линейным приемником излучения: 10

I - приемник излучения с охлаждающим устройством; 2, 10 - плоские зеркала; 3 - крутильная пружина; 4 - сканирующее зеркало; 5 - элемент обратной связи и синхронизации; 6 - усилитель мощности; 7 - электромагнит; 8 - сигнал синхронизации; 9 - зеркальный объектив;

- перекрывающая диафрагма.

деляется шириной линии приемников, а длина - амплитудой колебаний. Приемник визирует площадку изображения 10~ X 10 рад ; поле обзора составляет 3 X 20° и просматривается при каждом колебании стержня. Элементарные приемники снабжены индивидуальными усилителями, сигналы которых возбуждают неоновые лампы. Благодаря этому удается получить видимое изображение объекта.

Прибор способен давать развертку с частотой до 10 кадров/с, которая обеспечивается тем, что для каждой линии развертки используется отдельный приемник излучения.

Рассмотренную конструкцию тепловизора нельзя считать удачной и современной. Наличие подвижных приемников с большим числом усилителей приводит к низкой надежности прибора, а изображение рассматриваемого объекта, получаемое с помощью неоновых ламп, недостаточно четкое.

В тепловизорах с многоэлементным приемником излучения, разработанных в последние годы, чувствительные элементы неподвижны; каждый элемент имеет свой предусилитель, а видеоусилитель общий. Предусилители подключаются последовательно к видеоусилителю посредством механического или электронного коммутатора.